Новое в использовании топлива на морском флоте

Перевалочный пункт

Прежде чем топливо попадет на бункеровщик, его необходимо доставить с нефтеперерабатывающего завода. Как правило, нефтепродукты с НПЗ перевозят по железной дороге в цистернах. Затем они попадают на терминал, где перекачиваются в резервуары. И если с дизельным топливом никаких особых сложностей не возникает, то слить из цистерн мазут — не такая простая задача, ведь при температуре ниже, чем 20–30°C (в зависимости от марки мазута), он находится в них в застывшем состоянии. Чтобы извлечь его из цистерны, в нее подают такой же мазут, только предварительно нагретый. Постепенно в том месте, куда попадает струя горячего топлива, мазут «оттаивает» и становится текучим. Некоторые цистерны оборудованы «паровой рубашкой» — специальной полостью, пропуская горячий пар через которую, можно дополнительно разогревать цистерну целиком. Это особенно актуально в сильные морозы.

Мазут попадает в резервуары терминала нагретым до 55–65°C. За счет теплоизоляции такая температура сохраняется в них в течение нескольких дней, поэтому для последующей перевалки на бункеровщик дополнительно разогревать мазут не нужно. Если же топливо хранится долго и начинает остывать, его можно снова нагреть, пропустив через теплообменник. Впрочем, обычно в этом нет необходимости: продолжительность хранения нефтепродуктов на терминале не превышает 3–5 дней.

К зонам особого контроля за выбросами серы (SECA) в соответствии с Международной конвенцией по предотвращению загрязнения с судов (MARPOL) относятся Балтийское и Северное моря, а также атлантическое и тихоокеанское побережья США и Канады

На причал, к которому подходит бункеровщик, топливо подается по трубопроводу или подвозится в автоцистернах (если резервуары расположены далеко от причала). Во время погрузки бункеровщик окружают бонами — специальными заграждениями, которые плавают в воде и не позволяют нефтепродуктам распространяться по акватории, если произошел аварийный разлив. На этот случай на причале также хранится запас сорбента — вещества, которое упрощает сбор нефтепродуктов с поверхности воды.

Нефтеперерабатывающие заводы, как правило, поставляют ограниченное количество наиболее ходовых видов топлива. Если горючее с нужными характеристиками отсутствует, оно может быть приготовлено на бункеровочном терминале или прямо на бункеровщике путем смешения легких и тяжелых компонентов. Так из стандартного мазута с вязкостью 380 сантистокс можно приготовить мазут с более низкой вязкостью, разбавляя его светлыми нефтепродуктами.

Наполнив танки топливом, судно-бункеровщик идет бункеровать другие суда. Рейс может оказаться достаточно продолжительным и занять несколько дней. Планирование рейса — отдельная непростая логистическая задача. Необходимо учесть, как долго каждое из судов, подавших заявку на бункеровку, будет находиться в порту и в какое время его можно будет бункеровать. Некоторые пароходы стоят в порту 2–3 дня, другие швартуются лишь на несколько часов, при этом заправлять судно можно только после того, как оно прошло таможенный контроль.

Типы движителей

Со временем были разработаны многочисленные типы движителей. Это включает:

Весла

Одна из древнейших форм морского движения, весла, были найдены еще в 5000–4500 годах до нашей эры. Весла используются в гребных видах спорта, таких как гребля, каякинг, гребля на каноэ.

Пропеллер

Морские винты также известны как «винты». Существует множество вариантов судовых винтовых систем, включая сдвоенные винты, винты встречного вращения, регулируемые винты и винты соплового типа. В то время как меньшие суда, как правило, имеют единственный винт, даже очень большие суда, такие как танкеры, контейнеровозы и балкеры, могут иметь одиночные винты из соображений экономии топлива. Другие сосуды могут иметь двойные, тройные или четверные винты. Мощность передается от двигателя к винту через карданный вал, который может быть соединен с коробкой передач.

Лопастное колесо

Слева: оригинальное лопаточное колесо от парохода. Справа: деталь парохода.

Лопастное колесо — это большое колесо, обычно построенное из стального каркаса , на внешнем крае которого установлены многочисленные лопасти (называемые поплавками или ковшами ). Примерно нижняя четверть колеса перемещается под водой. Вращение лопастного колеса создает тягу вперед или назад по мере необходимости. В более продвинутых конструкциях гребных колес используются методы оперения , при которых каждое лопасть весла ориентировано ближе к вертикали, когда оно находится в воде; это увеличивает эффективность. Верхняя часть лопастного колеса обычно помещается в лопаточный ящик, чтобы минимизировать разбрызгивание.

Лопаточные колеса были заменены винтами, которые являются гораздо более эффективной формой движения. Тем не менее, гребные колеса имеют два преимущества перед винтами, что делает их пригодными для судов, плавающих на мелководных реках и в стесненных водоемах: во-первых, они с меньшей вероятностью забиваются препятствиями и мусором; и, во-вторых, при вращении в противоположных направлениях они позволяют судну вращаться вокруг собственной вертикальной оси. Некоторые суда имели один винт в дополнение к двум гребным колесам, чтобы получить преимущества обоих типов движителей.

Насосная струя

Насос-струя , гидроджет , струей воды или струи привода использует в кольцевом обтекателе воздушный винт ( осевой насос ), центробежный насос , насос или смешанного потока , чтобы создать струю воды для приведения в движение.

Они включают в себя заборник для исходной воды и сопло для направления ее потока, генерирования импульса и, в большинстве случаев, с использованием вектора тяги для управления кораблем.

Насосные реактивные двигатели используются на гидроциклах , мелкосидящих речных судах и торпедах.

Плыть

Назначение парусов — использовать энергию ветра для приведения в движение судна , саней , доски , транспортного средства или винта . В зависимости от угла наклона вашего паруса будет разница в направлении, куда направляется ваша лодка, и где дует ветер. Дакрон часто использовался в качестве материала для парусов из-за его прочности, долговечности и простоты ухода. Однако, когда он вплетался в него, он имел слабые места. В настоящее время ламинированные паруса используются для борьбы с ослаблением парусов при вплетении.

Циклоротор Voith-Schneider

Voith Schneider Пропеллер

Судовой крыльчатый движитель (ВСП) является практическим cyclorotor , что обеспечивает мгновенные тяги в любом направлении. Нет необходимости поворачивать движитель. Большинство судов с ВСП не нуждаются в руле направления и не имеют его. ВСП часто используются на буксирах, буровых судах и других плавсредствах, требующих необычайно хорошей маневренности. Приводы Voith-Schneider, впервые представленные в 1930-х годах, отличаются надежностью и доступны в больших размерах.

Гусеница

Двигательная установка водной гусеничной лодки ( Popular Science Monthly, декабрь 1918 г.)

Одним из первых необычных средств движения лодок была водяная гусеница. Это перемещало серию лопастей на цепях вдоль дна лодки, чтобы продвигать ее по воде, и предшествовало разработке гусеничных машин . Первая водяная гусеница была разработана Жозефом-Филибертом Дебланом в 1782 году и приводилась в движение паровым двигателем. В США первая водяная гусеница была запатентована в 1839 году Уильямом Ливенвортом из Нью-Йорка.

Колеблющиеся хлопушки

В 1997 году Грегори С. Кеттерман запатентовал метод движения качающихся хлопушек, приводимых в движение педалями. Хоби компания реализует метод двигательную как «MirageDrive педаль двигательной системы» в своих каяках.

Плавучая заправка

Еще одно отличие морской бункеровки от автомобильной заправки состоит в том, что не судно идет на заправочную станцию, а она сама подходит к судну. Заправка в данном случае — это судно-бункеровщик, небольшой танкер, который везет с собой запас топлива.

Судно-бункеровщик в разрезе

Как и на АЗС, на бункеровщике обычно есть несколько видов горючего: дизель, КСТ, мазут с разным содержанием серы (от 1,5 до 4 %). Топливо хранится в специальных емкостях — танках, причем под каждый вид выделен один или несколько танков — так, чтобы одно топливо не смешивалось с другим. Если небольшое количество более легких нефтепродуктов попадет в мазут, ничего страшного не случится. А вот если мазут попадет в дизельное топливо, оно уже не будет соответствовать предъявляемым к нему высоким требованиям. Так что, если по каким-то причинам танк необходимо перевести под более легкое топливо, его потребуется подвергнуть специальной очистке.

За исключением танков для топлива и установленного на палубе специального крана для подачи топливного шланга, бункеровщики мало чем отличаются от сходных по размеру сухогрузов. Отличие состоит в особых требованиях к пожарной безопасности (к примеру, на борту запрещены сварочные работы) и к подготовке экипажа (требуется свидетельство о прохождении курса по работе на танкерах). Кроме того, такие суда проходят ежегодные освидетельствования со стороны органов портового контроля и морского регистра. Вместимость бункеровщиков может быть разной — от нескольких сот до десяти и более тысяч тонн. Что касается судов «Газпромнефть Шиппинга» — бункеровочной дочки «Газпром нефти», ее суда способны перевозить от 2,5 до 7 тыс. тонн топлива.

4200 тонн мазута перевозит один железнодорожный состав из 66 цистерн

Впрочем, в бункеровке нет каких-то строгих ограничений по размерам заправщиков: бункеровщиком при необходимости может стать и огромный танкер, перевозящий нефтепродукты. В этом случае, учитывая его размеры, не он будет швартоваться к бункеруемому судну, а наоборот.

Эксплуатационные испытания гомогенизирующих установок ГНШ — 8 на транспортном рефрижераторе «Пролив Вилькицкого» и нефтерудовозе » Маршал Гречко»

Следующим этапом испытаний являлось проведение эксплуатационных испытаний гомогенизирующей установки ГВШ-8 в судовой системе топливоподготовки транспортного рефрижератора ( ТР) «Пролив Вилькицкого» Управления «Одестрансфлот» Министерства рыбного хозяйства СССР. Судно предназначено для перевозки свежемороженой рыбы и рыбопродуктов, а также для снабжения рыболовной флотилии запасами продуктов и энергоресурсами.

Основные характеристики главного двигателя:- тип — «Бурмейстер и Вайн»;- марка — 6ДКРН 74/160-3;- эффективная мощность — 7770 кВт;- частота вращения — 120 мин ;- диаметр цилиндра — 740 мм;- ход поршня — 1600 мм;- среднее эффективное давление — 0,94 МПа. Главный двигатель с момента ввода судна в эксплуатацию

в 1977 г. работает на моторном топливе и флотском мазуте ф-5. К началу испытаний гомогенизирующей установки главный двига тель отработал около 16000 ч.

Система топливоподготовки ТР «Пролив Вилькицкого» укомплектована следующими емкостями и оборудованием. Отстойные цистерны имеют емкость по 22,5 м3каждая. Установлены два паровых топливоподогревателя сепараторов и подогреватель топлива перед главным двигателем. Три сепаратора типа «Альфа-Лаваль» предназначены для очистки дизельного я тяжелого топлива.

При разработке схемы включения гомогенизатора в систему топливоподготовки ТР «Пролив Вилькицкого» предусмотрена возможность многократной гомогенизации. Сепараторы оставлены как запасной вариант или на случаи аварийного обводнения топлива. Гомогенизатор подключен к топливной системе по схеме: отстойный танк — фильтр грубой очистки — подогреватель топлива — гомогенизатор — расходные цистерны главного двигателя. Необходимая температура топлива обеспечивается подогревом в отстойных цистернах и паровом топливоподогревателе.

Гомогенизирующая установка оборудована системой автоматики и сигнализацией, при этом сигнализация срабатывает при отклонении от нормы следующих параметров: — при повышении давления топлива в нагнетательном трубопроводе после гомогенизирующего узла свыше 0,4 МПа; — при снижении давления топлива во всасывающем трубопроводе ниже 0,4 МПа;- при срабатывании предохранительного клапана;- при повышении температуры топлива после гомогенизации свыше 90С.

При отклонении одного из перечисленных параметров от нормы, установка автоматически отключается, о чем оповещает световая и звуковая сигнализация в центральном посту управления.

Схема установки гомогенизатора ГШ-8 в судовую систему топливоподготовки ТР «Пролив Вилькицкого» согласована и одобрена Инспекцией Регистра Черноморско-Азовского и Дунайского бассейнов и представлена на рис. 3.7, а общий вид показан на рис. 3.8. Экспериментальный гомогенизирующий клапан показан на рис. 3.9, а на рис. 3.10 указаны места интенсивного изнашивания рабочих поверхностей.

Целью испытаний являлось определение рациональных режимов работы гомогенизатора Г№-8, оценка эффективности применения гомогенизатора в системе топливоподготовки. Опыты проводились согласно программе испытаний ( Приложение 10 ). Испытания ГНШ-8 начаты в июле 1381 г. и проведены в два этапа. На первом этапе проведены пуско-наладочные испытания, обкатка, а также испытаны различные клапаны и гомогенизирующие узлы, а на втором — определены основные параметры главного двигателя при работе на гомогенизированном топливе.

Программой эксплуатационных испытаний гомогенизатора ГНШ-8 предусматривалось определение рациональных параметров работы гомогенизатора и определение дисперсности топлива при различных конструкциях клапанного узла. При определении рациональных параметров гомогенизации испытаны клапаны с диаметром 25, 30 и 35 мм. Проведены испытания двухклапанного гомогенизирующего узла с m Рис. 3.7. Принципиальная схема тошшвоподготовки ТР «Пролив Билькицкого» с гомогенизирующей установкой ГШ-8: I — расходная цистерна вспомогательного котла; 2 — топливо от сепараторов тяжелого топлива; 3 — расходные цистерны тяжелого топлива; 4 — топливо из запасных цистерн; 5 — топливо к сепараторам тяжелого топлива; 6 — фильтр грубой очистки; 7 — топ-ливоподогреватель; 8 — гомогенизатор ГНШ-8

Преимущества и недостатки

Сильной стороной мазутных котлов являются:

1. Высокая степень автоматизации.
2. Работа с минимальным участием человека.
3. Регулирование теплоотдачи в широких пределах.
4. Широкое распространение топлива.
5. Универсальность. Большинство моделей легко и без больших затрат можно переоборудовать под газ.
6. Простая установка. Не нужно получать разрешение и заказывать проект.
7. Отсутствие требований по высоте и диаметру дымохода. Трубу можно проложить горизонтально и вывести на улицу сквозь стену.
8. Функциональная автоматика.

Есть и недостатки:

1. Высокие затраты на обогрев дома.
2. Необходимость часто прочищать горелочное устройство.
3. Шум.
4. Неприятный запах.
5. Зависимость от электроснабжения.
6. Относительно низкая надежность из-за сложной конструкции, включающей в себя систему топливоподачи.

Точный расчет

Обычно бункеровка происходит, когда судно стоит у причала, хотя в некоторых случаях суда бункеруются на рейде** и даже на ходу. На самом деле, пришвартованное к причалу судно можно забункеровать и с берега — из автоцистерны, однако такой способ используется нечасто. Наиболее распространенный вариант — заправка с танкера-бункеровщика, который подходит и швартуется к борту судна.

Двигатель крупнотоннажного судна расходует в среднем около 40 тонн топлива в сутки. На непродолжительный переход, например из Петербурга в порты Европы и обратно, потребуется около 800 тонн, на более длительное плавание через океан — примерно 2,5 тыс. тонн.

Швартовка судов друг к другу — ответственный и сложный процесс. Иногда они встают вплотную, иногда, если есть риск задеть какое-то оборудование на борту, между ними устанавливаются специальные кранцы*** или буксир. Затем — на случай аварийного разлива — выставляют боны. Как правило, их устанавливают в носовой и кормовой частях судов, однако в зависимости от порта правила могут различаться.

Топливный шланг подается на бункеруемое судно с помощью крана

Перед тем как начать бункеровку, количество топлива на борту бункеровщика необходимо измерить. Для этого используется специальная рулетка, определяющая расстояние до поверхности жидкости в танке. Зная общий объем танка, а также температуру и плотность топлива, можно получить его массу. После бункеровки эту процедуру повторяют.

Средняя скорость, с которой топливо перекачивается с одного судна на другое, — 200–250 м3 (примерно 170–220 тонн) в час. В среднем двигатель крупнотоннажного судна расходует около 40 тонн топлива в сутки. На непродолжительный переход, например из Петербурга в порты Европы, потребуется около 800 тонн. Те же, кто идет через океан, берут больше — примерно 2,5 тыс. тонн. Нетрудно подсчитать, что на бункеровку, как правило, уходит несколько часов. Впрочем, процесс может занять и целые сутки.

Заливают обычно ровно столько топлива, сколько нужно, чтобы дойти до пункта назначения и вернуться назад. Еще 15–20 % (больше или меньше, в зависимости от времени года и региона) — штормовой запас на случай погодных сюрпризов. Лишнего не берут, ведь это уменьшит количество коммерческого груза, а значит, и прибыль судовладельца. Кроме того, у таможни могут возникнуть вопросы: не предназначены ли эти излишки для перепродажи.

Главный риск при бункеровке — аварийные разливы топлива. Чтобы их избежать, обе стороны внимательно следят за тем, как происходит процесс бункеровки, и, если что-то пойдет не так, насосы немедленно останавливают. Если же утечка все-таки произошла и горючее попало в воду, к ликвидации последствий подключаются аварийно-спасательные службы порта. Они используют специальные суда-нефтемусоросборщики, которые пропускают через себя верхний слой воды, снимая с нее пленку нефтепродуктов.

0,1% максимальное содержание серы в судовом топливе в зонах контроля за выбросами SECA

* Цетановое число — характеристика воспламеняемости дизельного топлива, определяющая период задержки горения рабочей смеси (промежуток времени от впрыска топлива в цилиндр до начала его горения). Чем выше цетановое число, тем меньше задержка и тем более спокойно и плавно горит топливная смесь

** Рейд — часть акватории порта, предназначенная для якорной стоянки судов

Описание схемы производства

В конце 40-х годов установки АВТ имели производительность 500— 600 тыс. т/год. Вскоре эти мощности оказались недостаточными для удовлетворения растущей потребности в массовых нефтепродуктах. С 1950 г. ускоренными темпами начали строить установки АВТ, работающие по схеме двукратного испарения, мощностью 1, 1,5 и 2 млн. т/год.
Температура и давление в аппаратах установки приведены ниже:

• Температура 0С:
• подогрева нефти в теплообменниках 200–230
• подогрева отбензиненной нефти в змеевиках трубчатой печи 330–360
• паров, уходящих из отбензинивающей колонны 120–140
• внизу отбензинивающей колонны 240–260
• паров, уходящих из основной колонны 120–130
• внизу основной колонны Давление, МПа:
• в отбензинивающей колонне 0,4–0,5
• в основной колонне 0,15–0,20

В колоннах создается разное давление. Как известно, давление в колонне определяется фракционным составом головного погона и, в конечном счете – остаточным давлением насыщенных паров жидкости после конденсации паров головного погона и их отделения в емкости (газосепараторе).

В К-1 в паровой фазе отбирается легкая (головная) бензиновая фракция н.к. – 62 0С или н.к. – 85 0С, а в К-2 – тяжелая бензиновая фракция, выкипающая выше 62 0С или 85 0С, поэтому давление в К-1 выше, чем в К-2 (0,4-0,5 МПа по сравнению с 0,15-0,20 МПа). Это вызвано необходимостью после конденсации паров сохранения фракций в жидкой фазе при температуре окончательного охлаждения 30-35 0С. Однако для более легкой фракции полная конденсация затруднительна. Более полная конденсация достигается применением дополнительного водяного охлаждения (после воздушного)

При этом удается полнее сконденсировать легкие бензиновые фракции (особенно это важно в летнее время и в жарком климате)

Экологические проблемы

Природный газ состоит в основном из метана, который имеет гораздо более сильный парниковый эффект, чем CO2 ref: Потенциал глобального потепления . Воздействие метана на климат в значительной степени связано с его утечкой. Например, есть проблема под названием проскок метана. Проскок метана — это утечка несгоревшего газа через двигатель. У метана GWP (20) (20-летний потенциал глобального потепления) в 86 раз выше, чем у CO2. Если проскок метана не контролируется, экологические выгоды от использования природного газа уменьшаются и могут свести на нет преимущества перед дизельным или бункерным топливом из-за высокого парникового эффекта метана. Еще одна проблема — опасность, связанная с хранением СПГ при очень низких температурах. Изоляция резервуара имеет решающее значение, и существует вероятность структурной хрупкости и травм персонала от обморожения. По сути, поскольку установлено, что СПГ для движения судов снижает выбросы CO2 и других загрязняющих веществ по сравнению с обычным тяжелым топливом, внедрение СПГ зависит от следующих ключевых факторов: наличие газа, спрос на суда, ограничения выбросов (зоны с контролируемыми выбросами), установка резервуаров для СПГ, и требования безопасности

Следует принимать во внимание проблемы, связанные с использованием СПГ. Такие проблемы, как отсутствие инфраструктуры в большинстве торговых портов, ограниченный опыт работы экипажа с двигателями на газовом топливе, будущая цена на газ и необходимые меры безопасности — все это критические моменты, которые следует учитывать.

Использование СПГ снижает содержание оксидов серы почти на 100 процентов и снижает выбросы оксида азота примерно на 85 процентов. Ведутся серьезные споры о том, приводит ли использование СПГ к снижению выбросов парниковых газов, и исследования показывают, что утечка метана сводит на нет выгоды для климата.

Флотский мазут

Применяется для работы энергетических установок судоходного транспорта. Это разновидность остаточного тяжелого топлива. Как правило на судах используются марки Ф-5 и Ф-12, где «Ф» обозначает флотский, а цифры 5 и 12 – условную вязкость при температуре 50°С в мм. кв./с.

Такие марки наиболее востребованы судами военно-морского флота. Из-за сравнительно высокой стоимости такой мазут в какой-то мере ограничивает использование мелкими коммерческими структурами.

В ограниченном количестве флотские мазуты также производятся для иностранных судов:

• ИФО-30. По структурному составу соответствует марке Ф-5. В нем содержится примерно 30-40% средних дистиллятов и остаточных компонентов переработки нефти;

• ИФО-180. Аналогичен топочному мазуту М-40, количество среднедистиллятных остатков, полученных в процессе нефтепереработке, составляет 8-15%;

• ИФО-380. Основу состава составляют среднедистиллятные вещества (0,5%).
Цифры в названии марки указывают на примерную вязкость при 50°С. Соответствует всем требованиям ГОСТа.

Двигательные установки

В большинстве силовых установок танкеров-газовозов используется BOG и жидкое топливо. В паровой установке BOG используется для зажигания котлов и производства пара. Пар приводит в движение турбины и движет корабль. Преимущество этого типа заключается в том, что при повышении давления в грузовом танке СПГ избыточный BOG сжигается одновременно с жидким топливом. Если BOG недостаточно, используется жидкое топливо ( мазут или HFO) для поддержания работы завода. Альтернативой паротурбинному двигателю является судовой двухтопливный дизельный двигатель. Производители силовых установок для коммерческих судов, такие как финская Wärtsilä и немецкая MAN Diesel , производят двухтопливные дизельные двигатели с большим диаметром цилиндра. Двигатели MAN B&W ME-GI имеют чрезвычайно гибкие топливные режимы, которые варьируются от 95% природного газа до 100% HFO и где-то между ними. Требуется минимум 5% HFO для пилотного масла, поскольку это двигатели с воспламенением от сжатия, а природный газ не является самовоспламеняющимся. Паровые турбины являются исключительно основным двигателем для судов, работающих на СПГ, хотя двухтактные дизельные двигатели более эффективны. Это связано с тем, что необходимо использовать отпарный газ из СПГ.